3.4燃料电池的历史和发展
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有机小分子作为 PEMFC燃料有以下优点：
常温常压下为液体，携带和储存都很方便 燃料最终产物是CO2和水，污染极小 来源丰富，价格低廉 无C-C键束缚，电化学活性高 甲醇燃料电池分为外生整式和内重整式两种。前者通过重整器把甲 醇重整为氢，然后在催化剂作用下与氧气反应产生电能。内重整无需重 整器，甲醇在阳极上直接氧化。与外重整型相比，它具有体积小、重量 轻、结构简单、操作容易、可靠性高、维修方便和价格低等优点，故而 最有希望成为小型电站和交通运输工具等动力电源。
缺点：贵金属催化剂对CO敏感≤1％，电解质电导率低
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
电极材料： 正极：高分散Ni
负极：高分散Ni 电解质： LiCO3-K2CO3(Na2CO3)
工作温度：600~700℃
燃料： CO 或 H2
电池反应: 2CO + O2 = 2CO2 电极反应: 负极：2CO – 4e + 2CO3 = 4CO2 正极：O2 + 2CO2 + 4e = 2CO3
磷酸型燃料电池（PAFC）
电极材料： 正极：高分散Pt 负极：高分散Pt 电解质： 浓H3PO4 工作温度：180~210℃
燃料： H2
电池反应: 2H2 + O2 = 2H2O 电极反应： 负极：2H2 - 4e=4H + 正极：O2 + 4H + + 4e = 2H2O 优点：抗CO2，可应用于独立电站
1839年英国的Grove发明了燃料电池， 并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢 氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。 由于氢气在自然界不能自由地得到，在随 后的几年中，人们一直试图用煤气作为燃 料，但均未获得成功。1866年， 人们发 现了机-电效应。这一发现启动了发电机 的发展，并使燃料电池技术黯然失色。
+ +
典型的 5KW PEMFC 电池组 结构 PEMFC 试验电厂 PEMFC箱体 （第一代） 200W 电池组（第一代）
优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
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质子交换膜燃料电池
NEXT
质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质, 无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。 质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移 动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电 源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上 。
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NEXT
尽管DMPEMFC具有无可比拟的优点，但要达 到实际应用还有大量问题有待进一步解决，目前它 的技术还很不成熟，仅处于研制阶段，性能最好的 也只有0.10W/cm2。而要达到实际应用，必须达到 0.25W/cm2以上，同时使电池满足性能高，寿命长 和价格低三个条件。
目前限制DMPEMFC实际应用的主要问 题是阳极催化剂低的活性、高价格和催化 剂的毒化。因此必须提高阳极催化剂的活 性，降低催化剂的用量，降低或消除催化 剂的毒化。
1889年Mood和Langer首先采用了燃 料电池这一名称，但燃料电池的研究直到 20世纪50年代才有了实质性的进展。
试验电厂中的燃料电池组
NEXT
20世纪60年代初由于航天 和国防的需要，才开发了液氢 和液氧的小型燃料电池，应用 于空间飞行和潜水艇。从此， 氢氧燃料电池广泛应用于宇航 领域，同时，兆瓦级的磷酸燃 料电池也研制成功。
-
优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
固体氧化物燃料电池（SOFC）
电极材料： 正极：多孔Ni
负极：多孔Ni 电解质： ZrO2
工作温度：900~1000℃
燃料： H2 或CO
电池反应: 2H2+O2=2H2O 电极反应: 负极：2H2 + 2O – 4e = 2H2O 正极：O2 + 4e = 2O
燃料电池
燃料电池的历史和发展 燃料电池的特点和分类
质子交换膜燃料电池 国内外燃料电池的发展状况
GO！！
• 燃料电池(fuelcell)发电是继水力、火力 和核能发电之后的第四类发电技术。 • 它是一种不经过燃烧直接以电化学反应 方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电 能的高效发电装置。
燃料电池的历史和发展
按工作温度
•高温型 •中温型 •低温型
BACK
按燃料来源
•直接式燃料电池（如直接甲醇燃料电池 ） •间接式燃料电池（如甲醇通过重整器产生氢气，然后以氢气 NEXT 为燃料电池的燃料 ） •再生类型
按电解质类型
磷酸盐型燃料电池（PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC） 碱性燃料电池（AFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
BACK NEXT
国内外燃料电池的发展状况
国外： 国内：
THE END！
22-
优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
质子交换膜燃料电ห้องสมุดไป่ตู้（PEMFC）
电极材料： 正极：高分散Pt
负极：高分散Pt ( Ru ) 电解质： 质子交换膜
工作温度：25~125℃
燃料： H2 或甲醇
电池反应: CH3OH+1.5O2= CO2+2H2O 电极反应: 负极： CH3OH+H2O - 6e=CO2+6H 正极： 6H + 6e +1.5O2=3H2O
(2)电解质：
可以是固体，也可以是水溶液或熔融盐。
(3)燃料：
气体（如H2,CO 和碳氢化合物）。液体 (CH3OH、高价碳氢化合物）也可以是固体 （金属氢化物）
(4)氧化剂： 相对于燃料的选择，氧化剂的选择比较方便，纯氧 气O2 、空气或卤素X2都可以胜任，而空气是最便宜 的氧化剂。
燃料电池的分类
22-
优点：无需贵金属催化剂，电池内部重整容易，Ni催化剂不怕CO中毒 缺点：电极材料寿命短，机械稳定性差，阴极需补充CO2，腐蚀
碱性燃料电池（AFC）
电极材料： 正极：高分散Ni
负极：高分散Ni 电解质： KOH 或 NaOH
工作温度：室温~100℃
燃料： H2
电池反应: 2H2+O2=2H2O 电极反应: 负极：2H2 + 4OH – 4e = 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e = 4OH
H2-O2质子交换膜燃料电池以H2为燃料，理论电动势为 1.229V,工作电压为0.80V,此电池制作较简单，寿命长，但使用 的贵金属较多，价格高。加上氢的储存和运输的问题， 人们开 始用甲醇，天然气等作为PEMFC的燃料。
BACK
中 国 矿 业 大 学
化 工 学 院
应 化 系
图3.6 DMPEMFC原理图
空间站电力系统工作原理图
从80年代开始，各种小功率燃料电池在宇航、军事、交通 等各个领域中得到应用。 近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出， 要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换 效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。
燃料电池的特点
燃料电池发生电化学反应的实质是燃烧反 应。它与一般电池不同之处在于燃料电池的正、 负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作 用或传导电流的作用。所需燃料(氢或通过甲烷、 天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料 或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界 输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转 化为电能的装置。 中间未经燃烧。
燃料电池与一般电池的本质区别在于其能量供应 的连续性，燃料和氧化剂是从外部不断提供的。它具 有以下优点： 能 量 转 换 效 率 高 污 染 小 、 噪 声 低 高 度 可 靠 性 适 应 能 力 强
操
灵 建
作
活 设 周
简
性 期
单
大 短
比能量或比功率高
3.基本组成
(1)电极：
可以由具有催化活性的材料组成；也 可以只作为电化学反应的载体和反应电流 的传导体。
有机小分子作为 PEMFC燃料有以下优点：
常温常压下为液体，携带和储存都很方便 燃料最终产物是CO2和水，污染极小 来源丰富，价格低廉 无C-C键束缚，电化学活性高 甲醇燃料电池分为外生整式和内重整式两种。前者通过重整器把甲 醇重整为氢，然后在催化剂作用下与氧气反应产生电能。内重整无需重 整器，甲醇在阳极上直接氧化。与外重整型相比，它具有体积小、重量 轻、结构简单、操作容易、可靠性高、维修方便和价格低等优点，故而 最有希望成为小型电站和交通运输工具等动力电源。
缺点：贵金属催化剂对CO敏感≤1％，电解质电导率低
熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
电极材料： 正极：高分散Ni
负极：高分散Ni 电解质： LiCO3-K2CO3(Na2CO3)
工作温度：600~700℃
燃料： CO 或 H2
电池反应: 2CO + O2 = 2CO2 电极反应: 负极：2CO – 4e + 2CO3 = 4CO2 正极：O2 + 2CO2 + 4e = 2CO3
磷酸型燃料电池（PAFC）
电极材料： 正极：高分散Pt 负极：高分散Pt 电解质： 浓H3PO4 工作温度：180~210℃
燃料： H2
电池反应: 2H2 + O2 = 2H2O 电极反应： 负极：2H2 - 4e=4H + 正极：O2 + 4H + + 4e = 2H2O 优点：抗CO2，可应用于独立电站
1839年英国的Grove发明了燃料电池， 并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢 氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。 由于氢气在自然界不能自由地得到，在随 后的几年中，人们一直试图用煤气作为燃 料，但均未获得成功。1866年， 人们发 现了机-电效应。这一发现启动了发电机 的发展，并使燃料电池技术黯然失色。
+ +
典型的 5KW PEMFC 电池组 结构 PEMFC 试验电厂 PEMFC箱体 （第一代） 200W 电池组（第一代）
优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
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质子交换膜燃料电池
NEXT
质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质, 无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。 质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移 动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电 源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上 。
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尽管DMPEMFC具有无可比拟的优点，但要达 到实际应用还有大量问题有待进一步解决，目前它 的技术还很不成熟，仅处于研制阶段，性能最好的 也只有0.10W/cm2。而要达到实际应用，必须达到 0.25W/cm2以上，同时使电池满足性能高，寿命长 和价格低三个条件。
目前限制DMPEMFC实际应用的主要问 题是阳极催化剂低的活性、高价格和催化 剂的毒化。因此必须提高阳极催化剂的活 性，降低催化剂的用量，降低或消除催化 剂的毒化。
1889年Mood和Langer首先采用了燃 料电池这一名称，但燃料电池的研究直到 20世纪50年代才有了实质性的进展。
试验电厂中的燃料电池组
NEXT
20世纪60年代初由于航天 和国防的需要，才开发了液氢 和液氧的小型燃料电池，应用 于空间飞行和潜水艇。从此， 氢氧燃料电池广泛应用于宇航 领域，同时，兆瓦级的磷酸燃 料电池也研制成功。
-
优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
固体氧化物燃料电池（SOFC）
电极材料： 正极：多孔Ni
负极：多孔Ni 电解质： ZrO2
工作温度：900~1000℃
燃料： H2 或CO
电池反应: 2H2+O2=2H2O 电极反应: 负极：2H2 + 2O – 4e = 2H2O 正极：O2 + 4e = 2O
燃料电池
燃料电池的历史和发展 燃料电池的特点和分类
质子交换膜燃料电池 国内外燃料电池的发展状况
GO！！
• 燃料电池(fuelcell)发电是继水力、火力 和核能发电之后的第四类发电技术。 • 它是一种不经过燃烧直接以电化学反应 方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电 能的高效发电装置。
燃料电池的历史和发展
按工作温度
•高温型 •中温型 •低温型
BACK
按燃料来源
•直接式燃料电池（如直接甲醇燃料电池 ） •间接式燃料电池（如甲醇通过重整器产生氢气，然后以氢气 NEXT 为燃料电池的燃料 ） •再生类型
按电解质类型
磷酸盐型燃料电池（PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC） 碱性燃料电池（AFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
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国内外燃料电池的发展状况
国外： 国内：
THE END！
22-
优点：无需贵金属催化剂，无需CO2再循环，效率高 缺点：制备工艺复杂，工作温度高，价格昂贵
质子交换膜燃料电ห้องสมุดไป่ตู้（PEMFC）
电极材料： 正极：高分散Pt
负极：高分散Pt ( Ru ) 电解质： 质子交换膜
工作温度：25~125℃
燃料： H2 或甲醇
电池反应: CH3OH+1.5O2= CO2+2H2O 电极反应: 负极： CH3OH+H2O - 6e=CO2+6H 正极： 6H + 6e +1.5O2=3H2O
(2)电解质：
可以是固体，也可以是水溶液或熔融盐。
(3)燃料：
气体（如H2,CO 和碳氢化合物）。液体 (CH3OH、高价碳氢化合物）也可以是固体 （金属氢化物）
(4)氧化剂： 相对于燃料的选择，氧化剂的选择比较方便，纯氧 气O2 、空气或卤素X2都可以胜任，而空气是最便宜 的氧化剂。
燃料电池的分类
22-
优点：无需贵金属催化剂，电池内部重整容易，Ni催化剂不怕CO中毒 缺点：电极材料寿命短，机械稳定性差，阴极需补充CO2，腐蚀
碱性燃料电池（AFC）
电极材料： 正极：高分散Ni
负极：高分散Ni 电解质： KOH 或 NaOH
工作温度：室温~100℃
燃料： H2
电池反应: 2H2+O2=2H2O 电极反应: 负极：2H2 + 4OH – 4e = 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e = 4OH
H2-O2质子交换膜燃料电池以H2为燃料，理论电动势为 1.229V,工作电压为0.80V,此电池制作较简单，寿命长，但使用 的贵金属较多，价格高。加上氢的储存和运输的问题， 人们开 始用甲醇，天然气等作为PEMFC的燃料。
BACK
中 国 矿 业 大 学
化 工 学 院
应 化 系
图3.6 DMPEMFC原理图
空间站电力系统工作原理图
从80年代开始，各种小功率燃料电池在宇航、军事、交通 等各个领域中得到应用。 近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护的突出， 要求开发利用新的清洁再生能源。燃料电池由于具有能量转换 效率高、对环境污染小等优点而受到世界各国的普遍重视。
燃料电池的特点
燃料电池发生电化学反应的实质是燃烧反 应。它与一般电池不同之处在于燃料电池的正、 负极本身不包含活性物质，只是起催化转换作 用或传导电流的作用。所需燃料(氢或通过甲烷、 天然气、煤气、甲醇、乙醇、汽油等石化燃料 或生物能源重整制取)和氧(或空气)不断由外界 输入，因此燃料电池是名符其实的把化学能转 化为电能的装置。 中间未经燃烧。
燃料电池与一般电池的本质区别在于其能量供应 的连续性，燃料和氧化剂是从外部不断提供的。它具 有以下优点： 能 量 转 换 效 率 高 污 染 小 、 噪 声 低 高 度 可 靠 性 适 应 能 力 强
操
灵 建
作
活 设 周
简
性 期
单
大 短
比能量或比功率高
3.基本组成
(1)电极：
可以由具有催化活性的材料组成；也 可以只作为电化学反应的载体和反应电流 的传导体。